NO753023L

NO753023L -

Info

Publication number: NO753023L
Application number: NO753023A
Authority: NO
Inventors: R C Maydew; B F Blackwell; L V Feltz
Original assignee: Us Energy
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1976-03-23
Also published as: ES439834A1; IT1049691B; SE7509005L; US3918839A; FR2285527A1; BE833581A; JPS5166951A; FR2285527B3; CA1042347A; DE2540757A1; NL7508723A; AU8502675A

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en vindturbin av den art som er beskrevet i innledningen til patentkrav 1. The present invention relates to a wind turbine of the type described in the introduction to patent claim 1.

Vinden var en av de første naturlige energikilder som ble utnyttet The wind was one of the first natural energy sources to be exploited

i og med utnyttelsen av forskjellige vinddrevne apparater. Bruken . including the utilization of various wind-powered devices. The usage.

av vindmøller gikk imidlertid drastisk tilbake etter at det oppsto dampmaskiner, forbrenningsmotorer og andre energiomformingsmaskiner drevne av fossile brensler. Med de økende omkostningene for fossile brensler og andre energikilder som for tiden benyttes i stor ut-strekning, er imidlertid interessen i det siste igjen blitt rettet mot anvendelsen av vinden som konkurransedyktig energikilde. of windmills, however, declined drastically after the advent of steam engines, internal combustion engines and other energy conversion machines powered by fossil fuels. However, with the rising costs of fossil fuels and other energy sources that are currently being used to a large extent, interest has recently again been directed towards the use of wind as a competitive energy source.

Det er for eksempel anslått at det skulle kunne produseres mer enn It is estimated, for example, that it should be possible to produce more than

ca 10"^ kWh el energi fra praktiske viri/kraf tverk bare i USA, idet den tilgjengelige energien er proporsjonal med lufttettheten og vindhastigheten, hvorunder den påvirker energien i tredje potens. Siden den energimengden som er tilgjengelig i vinden kan være betydelig sammenlignet med verdens energibehov, bør slike vinddrevne kraftkilder få økende betydning, særlig på avsidesliggende steder eller hvor alternative energikilder krever kostbart brennstoff for kraftproduksj on. about 10"^ kWh of electrical energy from practical viri/power plants only in the USA, since the available energy is proportional to the air density and wind speed, under which it affects the energy to the third power. Since the amount of energy available in the wind can be significant compared to the world energy needs, such wind-driven power sources should gain increasing importance, especially in remote locations or where alternative energy sources require expensive fuel for power production.

Ulike vinddrevne maskiner eller turbiner er blitt foreslått eller benyttet, for eksempel de velkjente vindmøller med horisontal drivaksel. I disse vindmøller, har man benyttet ulike konstruksjoner og arrangement av rotorer som har oppnådd så høye forhold mellom rotorens periferihastighet og vindhastigheten som 6:1. På grunn av de iboende begrensninger til slike vindmøller med horisontal drivaksel, som krever at rotorens skal være rettet i en spesiell retning i forhold til vindretningen (som selvsagt ikke er konstant), var disse vindmøller ofte forsynt med kompliserte drivmekanismer for å dreie møllen og holde rotoren i den rette retning i forhold til vindretningen. Disse, drivmekanismer er ikke bare kompliserte, men må vanligvis også være montert på vindmøller til rotorens aksel og bæres et godt stykke over marknivå, idet minste like høyt som rotorens radius. Også dette bidrar til vanskeligheter, kostnader og øker vekten til de bærestrukturer og andre mekanismer som benyttes i slike vindmøller. Various wind-driven machines or turbines have been proposed or used, for example the well-known windmills with a horizontal drive shaft. In these windmills, different constructions and arrangements of rotors have been used which have achieved as high a ratio between the rotor's peripheral speed and the wind speed as 6:1. Due to the inherent limitations of such windmills with a horizontal drive shaft, which require the rotor to be directed in a particular direction in relation to the wind direction (which is of course not constant), these windmills were often provided with complicated drive mechanisms to turn the turbine and keep the rotor in the right direction in relation to the wind direction. These drive mechanisms are not only complicated, but usually also have to be mounted on windmills to the rotor's shaft and are carried a good distance above ground level, the smallest being as high as the rotor's radius. This also contributes to difficulties, costs and increases the weight of the supporting structures and other mechanisms used in such wind turbines.

Vindturbiner med vertikal drivaksel er blitt foreslått og prøvd Wind turbines with a vertical drive shaft have been proposed and tried

•for å fjerne en del av disse ulemper. De fleste vindturbiner med • to remove some of these disadvantages. Most wind turbines with

vertikal drivaksel har imidlertid meget lave forhold mellom rotorens periferihastighet og vindhastighet og er således meget ineffek-tive eller, krever en ytterligere kraftkilde for å akselerere rotoren til en hastighet hvor den kan avgi en positiv dreiekraft. En vertical drive shafts, however, have very low ratios between the rotor's peripheral speed and wind speed and are thus very ineffective or, require an additional power source to accelerate the rotor to a speed where it can emit a positive torque. One

del tidligere vindturbiner med vertikal aksel har dessuten benyttet ganske kompliserte.og kostbare rotorblads-konstruksjoner eller har hatt.relativt lav styrke for praktisk bruk. Selv om vindturbiner med vertikal aksel ofte er i stand til å arbeide med en vind som blåser fra en vilkårlig retning og med kraftgenererende utstyr og tårnbygg som kan være av relativ enkel konstruksjon, er slike vindturbiner ikke blitt utviklet eller blitt benyttet i større utstrek-ning. some previous wind turbines with a vertical shaft have also used rather complicated and expensive rotor blade constructions or have had relatively low strength for practical use. Although vertical axis wind turbines are often capable of working with a wind blowing from an arbitrary direction and with power generating equipment and tower buildings that can be of relatively simple construction, such wind turbines have not been developed or used to a greater extent .

Et formål med oppfinnelsen er således å komme frem til en relativt enkel og billig vindturbin. One purpose of the invention is thus to arrive at a relatively simple and inexpensive wind turbine.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en vindturbin med vertikal aksel som er selvstartende og som er i stand til å gi et relativt høyt forhold mellom rotorbladenes periferihastighet og vin dhas t i ghe ten. Another object of the invention is to produce a wind turbine with a vertical shaft which is self-starting and which is able to provide a relatively high ratio between the peripheral speed of the rotor blades and wind speed.

Et ytterligere formål er å frembringe en vindturbin med en ny rotorblad-konfigurasjon. A further object is to produce a wind turbine with a new rotor blade configuration.

Et ytterligere formål er å frembringe en vindturbin med høy virkningsgrad. A further purpose is to produce a wind turbine with a high degree of efficiency.

Disse formål kan ifølge oppfinnelsen realiseres ved en vindturbin som er utformet i overensstemmelse med patentkrav 1. According to the invention, these purposes can be realized by a wind turbine which is designed in accordance with patent claim 1.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til de medfølgende figurer-, hvor: Eig. 1 viser et noe forenklet perspektivriss av et vindturbinanlegg utformet ifølge oppfinnelsen med rotorelementenes innbyrdes stil-linger. The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying figures, where: Owner. 1 shows a somewhat simplified perspective view of a wind turbine system designed according to the invention with the relative positions of the rotor elements.

Eig. 2 viser skjematisk den foretrukne formen av bladene i vindturbinens hoved-drivrotor. Fig. 3 viser skjematisk en sammenligning mellom bladformene ifølge oppfinnelsen og blad med andre mulige kurveformer. Fig. 4 viser et snitt gjennom en vingeprofildel av det blad som er vist i fig. 2. Fig. 5 viser et diagram som anskueliggjør virkningsgraden som funksjon av hastighetsforholdene for de respektive rotordelene i vindturbinen ifølge oppfinnelsen. Fig. 6a og 6b viser ulike tverrsnittsformer som de rette segmentene for de bladene som er vist i fig. 1 og 2 kan ha. Fig. 7 viser et horisontalt tverrsnitt sett ovenfra av stillingene til de skovler som benyttes i startrotoren ved vindturbinanlegget ifølge fig. 1. Fig. 8 viser et perspektivriss av et annet startrotor-arrangement som kan benyttes sammen med turbinen ifølge fig. 1. Fig. 9 viser skjematisk en modifikasjon av drivrotorbladet og blad-formen. Fig. 10a og 10b viser andre modifikasjoner av drivrotorbladet, for å øke rotorbladets rektangelforhold ("aspect ratio"). Fig. 11 viser en modifisert versjon av vindturbinen, som benytter en vertikal stabling av drivrotorer. Fig. 12 viser et forenklet skjematisk bilde som illustrerer et arrangement av drivrotorbladene hvor bladsegmentene kan bøyes for å redusere turbinens vindprofil. Own. 2 schematically shows the preferred shape of the blades in the wind turbine's main drive rotor. Fig. 3 schematically shows a comparison between the blade shapes according to the invention and blades with other possible curve shapes. Fig. 4 shows a section through a wing profile part of the blade shown in fig. 2. Fig. 5 shows a diagram which illustrates the degree of efficiency as a function of the speed conditions for the respective rotor parts in the wind turbine according to the invention. Fig. 6a and 6b show different cross-sectional shapes as the straight segments for the blades shown in Fig. 1 and 2 can have. Fig. 7 shows a horizontal cross-section seen from above of the positions of the vanes used in the starting rotor at the wind turbine plant according to fig. 1. Fig. 8 shows a perspective view of another starter rotor arrangement that can be used together with the turbine according to fig. 1. Fig. 9 schematically shows a modification of the drive rotor blade and the blade shape. Fig. 10a and 10b show other modifications of the drive rotor blade, to increase the aspect ratio of the rotor blade. Fig. 11 shows a modified version of the wind turbine, which uses a vertical stacking of drive rotors. Fig. 12 shows a simplified schematic image illustrating an arrangement of the drive rotor blades where the blade segments can be bent to reduce the turbine's wind profile.

Vindturbinen ifølge oppfinnelsen omfatter en vinddrevet hovedkraft-eiler drivrotor 10 og et par vinddrevne startrotorer 14 og 16 koblet til en rotoraksel 12, som vist i fig. 1. Vindturbinen er som vist fortrinnsvis båret i vertikal stilling slik at vinden, uavhengig av retningen, alltid får vindturbinens rotorer til å rotere uten at turbinakselen må innstilles. Hver enkelt av rotorene 10, 14 og 16 er festet til akselen 12 for å rotere sammen rundt en fast plattform eller mast 18 med akselen 12 båret i. den ønskede vertikale stilling. Akselen 12 kan være roterbart opplagret på plattformen 18 ved hjelp The wind turbine according to the invention comprises a wind-driven main power vane drive rotor 10 and a pair of wind-driven starting rotors 14 and 16 connected to a rotor shaft 12, as shown in fig. 1. As shown, the wind turbine is preferably carried in a vertical position so that the wind, regardless of direction, always causes the wind turbine's rotors to rotate without the turbine shaft having to be adjusted. Each of the rotors 10, 14 and 16 is attached to the shaft 12 to rotate together about a fixed platform or mast 18 with the shaft 12 carried in the desired vertical position. The shaft 12 can be rotatably supported on the platform 18 by means of

av hensiktsmessige rullelager eller lignende og den kan stabiliseres ved hjelp av egnete stag eller andre støtter 19 fra den øverste del av akselen, dersom dette er ønskelig ut fra vindturbinens størrelse og de vindstyrker den skal arbeide under. Dessuten kan akselen 12 of appropriate rolling bearings or similar and it can be stabilized using suitable struts or other supports 19 from the upper part of the shaft, if this is desirable based on the size of the wind turbine and the wind forces under which it must work. In addition, the axle 12

og følgelig også rotorene 10, 14 og 16, være koblet direkte eller ved hjelp av et hensiktsmessig drivsystem, f.eks. som vist med tann-hjul 20, 22 til en hensiktsmessig utnyttelsesanordning 24 som kan omvandle eller på annen måte utnytte den energi som frembringes ved akselens 12 rotasjon. Utnyttelsesanordningen 24 kan være hvilket som helst hensiktsmessig apparat eller mekanisme som kan omdanne vindturbinens rotasjonsbevegelse til elektrisk eller annen form for energi, f.eks. en vekselstrøms- eller likestrømsgenerator, eller som kan frembringe en annen operasjon eller funksjon, f.eks. pumping av en væske fra en brønn eller drift av et annet apparat eller en mekanisme. and consequently also the rotors 10, 14 and 16, be connected directly or by means of an appropriate drive system, e.g. as shown with gears 20, 22 to an appropriate utilization device 24 which can convert or otherwise utilize the energy produced by the rotation of the shaft 12. The utilization device 24 can be any suitable device or mechanism that can convert the wind turbine's rotational movement into electrical or other forms of energy, e.g. an alternating current or direct current generator, or which can produce another operation or function, e.g. pumping a fluid from a well or operating any other apparatus or mechanism.

Hoveddrivrotoren 10 omfatter en eller flere hovedsakelig vertikalt anordnete, langstrakte blad 26a, 26b og 26c som ved sine ytre ender er festet til eller koblet til akselen 12 ved hjelp av en egnet ring eller en annen støtte. Vingen eller vingene kan være plassert rundt akselen 12 slik at de balanserer hverandre eller de kan være forsynt med hensiktsmessige motvekter eller lignende for å oppnå denne balan-se. Hver vinge kan, som vist ved vingen 26a, omfatte en sentral, ut-adbøyd bueformet del 28 som over et rett segment 30 er forbundet med den øverste del av akselen og som over et annet rett segment 32 er forbundet med en nederste del av akselen 12. Flere eller færre blad enn de tre viste kan anvendes i rotoren 10, men med en viss reduksjon av virkningsgraden og/éller økning av omkostningene, er drivrotorens 10 virkningsgrad en funksjon av forholdet mellom vingeflaten og vingenes slagareal. Akselen 12 kan være en eneste massiv eller hul stang, konsentriske stenger som kan roteres i forhold til hverandre eller en fagverkslignende konstruksjon, avhengig av den nødvendige styrke og størrelse og bæreanordningen. The main drive rotor 10 comprises one or more substantially vertically arranged elongated blades 26a, 26b and 26c which are attached at their outer ends to or connected to the shaft 12 by means of a suitable ring or other support. The wing or wings can be placed around the shaft 12 so that they balance each other or they can be provided with appropriate counterweights or the like to achieve this balance. Each wing may, as shown by the wing 26a, comprise a central, bent-out arc-shaped part 28 which is connected by a straight segment 30 to the upper part of the shaft and which is connected by another straight segment 32 to a lower part of the shaft 12. More or fewer blades than the three shown can be used in the rotor 10, but with a certain reduction in efficiency and/or an increase in costs, the efficiency of the drive rotor 10 is a function of the ratio between the blade surface and the wings' stroke area. The shaft 12 can be a single solid or hollow rod, concentric rods that can be rotated in relation to each other or a truss-like construction, depending on the required strength and size and the support device.

Det har vist seg at en perfekt bøyelig kabel med jevn tetthet og tykkelse, som er mad festet med sine ender til en vertikal aksel og som roteres med konstant vinkelhastighet rundt den vertikale akselen^vil innta en kurve som vist med.den strekete linjen 34 i fig. 2, hvilken i det følgende vil bli kalt en "troposkien-kurve", uavhengig av vinkelhastigheten. Når kabelen roteres rundt den vertikale aksel og antar denne form, er de påkjenninger som oppstår i kabelen hovedsakelig strekkpåkjenninger. Det har videre vist seg at troposkien-kurvens form for oppfinnelsens formål kan tilnærmes med en sirkelbue 34a ved troposkien-kurvens ytre del og et par rette segmenter 34b og 34c mellom sirkelbuens 34a ender og rotasjons akselen. Med denne tilnærming blir kabelen fremdeles hovedsakelig utsatt for strekkpåkjenninger med bare neglisjerbare bøyepåkjenninger. Denne tilnærming benyttes som den ønskete formen forjtle vinger i rotoren 10, som er vist i fig. 1. It has been found that a perfectly flexible cable of uniform density and thickness, which is attached at its ends to a vertical axis and is rotated at a constant angular velocity about the vertical axis, will assume a curve as shown by the dashed line 34 in fig. 2, which in the following will be called a "troposkie curve", independent of the angular velocity. When the cable is rotated around the vertical axis and assumes this shape, the stresses that occur in the cable are mainly tensile stresses. It has also been shown that the shape of the troposkine curve for the purpose of the invention can be approximated with a circular arc 34a at the outer part of the troposkine curve and a pair of straight segments 34b and 34c between the ends of the circular arc 34a and the axis of rotation. With this approach, the cable is still mainly subjected to tensile stresses with only negligible bending stresses. This approach is used as the desired form of vanes in the rotor 10, which is shown in fig. 1.

Fig. 3 viser forskjellen mellom en troposkien-formet kurve 34,. en sirkelbue 36 og en kjedelinje ("catenaria") 38. En roterende vinge med enten formen 36 eller 38, vil gi større bøyepåkj.enning enn formen 34 eller dens tilnærming. Som nevnt ovenfor reduserer, troposkien-kurven 34 de bøyepåkjenninger som oppstår i den vertikale vingen når denne utsettes for rotasjonsbevegelse, mens tilnærmingen av en troposkien-kurve som vist med sirkelbuen 34a og de rette delene 34b og 34c i fig. 2 og den motsvarende buete delen 28 og de rette delene 30 og 32 av vingen 26a i fig. 1, gir minst mulige bøye-påkj.enninger samtidig med at den gir en vingeform som kan fremstilles enkelt og med lave omkostninger. Den viste vingeformen kan velges for å gi en nær tilnærming av troposkien-formen for å redusere bøyepåkjenningene ved å redusere den maksimale avstand mellom kurven 34 og tilnærmingsdelene 34a, 34b og 34c, eller ved at man på annen måte justerer tilnærmingsformen. Siden rotorene 14 og 16 er plassert i en stilling hvor de normalt møter en luftstrøm eller en vind som rettes mot rotorens 10 vinger ved deres øvre og nedre ytterdeler, kan rotorvingenes rette segmenter 30 og 32 dessuten formes som konstruksjonselement med lave eller ingen aerodynamiske løfte- eller dreiemomentproduserende effekter. Siden det dreiemoment eller den rotasjonskraft som produseres av motorvingene øker etter hvert som vingeavstanden fra rotorakselen øker, vil vindenergien utnyttes effektivere ved bruk av den buete delen 28 som den eneste eller viktigste drivende delen, siden andre deler av vingen, dvs. Fig. 3 shows the difference between a troposcene-shaped curve 34,. a circular arc 36 and a chain line ("catenaria") 38. A rotary vane of either the shape 36 or 38 will give greater bending stress than the shape 34 or its approximation. As mentioned above, the troposqueen curve 34 reduces the bending stresses that occur in the vertical wing when it is subjected to rotational motion, while the approximation of a troposqueen curve as shown by the circular arc 34a and the straight parts 34b and 34c in Fig. 2 and the corresponding curved part 28 and the straight parts 30 and 32 of the wing 26a in fig. 1, provides the least possible bending stresses at the same time as it provides a wing shape that can be produced easily and at low cost. The airfoil shape shown can be chosen to provide a close approximation of the troposkine shape to reduce bending stresses by reducing the maximum distance between the curve 34 and the approach portions 34a, 34b and 34c, or by otherwise adjusting the approach shape. Since the rotors 14 and 16 are placed in a position where they normally meet an air flow or a wind that is directed against the rotor 10 blades at their upper and lower outer parts, the straight segments 30 and 32 of the rotor blades can also be formed as structural elements with low or no aerodynamic lift. or torque producing effects. Since the torque or rotational force produced by the motor vanes increases as the vane distance from the rotor shaft increases, wind energy will be utilized more efficiently by using the curved portion 28 as the sole or main driving portion, since other portions of the vane, i.e.

de rette delene, gir mindre dreiemoment med samme vindenergi. the right parts, gives less torque with the same wind energy.

Vingenes 26a, 26b og 26c buete deler 2 8 har flyvingeform eller The curved parts 2 8 of the wings 26a, 26b and 26c have the shape of an airplane wing or

-tverrsnitt vinkelrett på vingekurven i rotorens 10 rotasjonsretning -cross-section perpendicular to the wing curve in the direction of rotation of the rotor 10

for å gi en løftekraft når rotoren 10 roterer i en vind. I fig. 4 vises et typisk tverrsnitt som er valgt for å gi et optimalt glidetall og for derved å øke ytelsen. to provide a lifting force when the rotor 10 rotates in a wind. In fig. 4 shows a typical cross-section which has been chosen to give an optimal slip ratio and thereby increase performance.

På grunn av rotorens 10 natur og vingenes sirkulære bevegelse, vil den buete vingeprofildel 28 under rotasjonen få både positive og negative innfallsvinkler, og det foreligger derfor ingen særlig fordel i å benytte en usymmetrisk vingeprofil. Dessuten øker løfte-kraften for vingeprofiler med økende innfallsvinkel inntil det punkt hvor luftstrømmen skilles fra vingeprofilen, en tilstand som kan forårsake fartstap og vanligvis må unngås, hvorunder den maksimale løftekraften er større for økende forhold mellom vingeprofilens lengde og vingeprofilkordens lengde. Ved rotoren 10 har imidlertid vinden som når den buete delen 2 8 ikke bare den absolutte vindhastigheten, men den absolutte vindhastigheten med fradrag av vinge-hastighetens vektorkomponent i vindretningen. Innfallsvinkelen ved en roterende vingeprofil er også vinkelen mellom den relative vindhastigheten (dvs. den tilsynelatende vindretningen) og vingeprofilens korde, idet innfallsvinkelen er avhengig av vindhastigheten, vingens rotasjonshastighet og vingens stilling i forhold til turbinen. For en gitt vingestilling avtar innfallsvinkelen med økende forhold mellom vingehastigheten og vindhastigheten.For et tilstrekkelig høyt forhold kan vingen derfor aldri få fartstap i løpet av en omdreining, mens den ved lave forhold kan utsettes for fartstap over en betydelig del av bladets omdreining. Ved høye forhold reduseres følgelig løftekraftens vektorkomponent i korderetningen med av-tagende innfallsvinkel. Rotoren har således maksimal virkningsgrad ved et visst forhold mellom spisshastigheten (vingens periferihastighet ved dens normale radius) og vindhastigheten, som vist ved kurven 40 i fig. 5, som er fastlagt ved analytiske studier og for- . søk i vindtunnel. Det har vist at de mest effektive hastighetsforholdene for rotoren 10 ifølge oppfinnelsen, for å avgi maksimal effekt, er fra 5 til- 7, med et typisk maksimum ved 6. Due to the nature of the rotor 10 and the circular movement of the wings, the curved wing profile part 28 will have both positive and negative angles of incidence during the rotation, and there is therefore no particular advantage in using an unsymmetrical wing profile. Also, the lift of airfoils increases with increasing angle of attack until the point where the airflow separates from the airfoil, a condition that can cause a loss of speed and must usually be avoided, where the maximum lift is greater for increasing ratio of airfoil length to airfoil chord length. At the rotor 10, however, the wind reaching the curved part 2 8 has not only the absolute wind speed, but the absolute wind speed minus the vector component of the blade speed in the wind direction. The angle of incidence for a rotating airfoil is also the angle between the relative wind speed (i.e. the apparent wind direction) and the chord of the airfoil, as the angle of incidence depends on the wind speed, the rotational speed of the blade and the position of the blade in relation to the turbine. For a given wing position, the angle of incidence decreases with an increasing ratio between the wing speed and the wind speed. For a sufficiently high ratio, the wing can therefore never suffer a loss of speed during one revolution, while at low conditions it can be exposed to a loss of speed over a significant part of the blade's revolution. At high ratios, the vector component of the lift force in the chord direction is consequently reduced with decreasing angle of incidence. The rotor thus has maximum efficiency at a certain ratio between the tip speed (the peripheral speed of the wing at its normal radius) and the wind speed, as shown by the curve 40 in fig. 5, which has been determined by analytical studies and for- . wind tunnel search. It has been shown that the most effective speed ratios for the rotor 10 according to the invention, to produce maximum power, are from 5 to 7, with a typical maximum at 6.

En symmetrisk vingeprofilform med stort glidetall kan være vingeprofilen ifølge NACA 0012 (National Advisory Committee for Aero-nautics). En slik eller lignende vingeprofil kan som vist i fig. 4 fremstilles med et forsterkningselement 42 med stor styrke, som om-gis av en stiv skumkjerne 44. Forsterkningslementet 42 kan bestå av et stål-, aluminium- eller fiberlaminat-blad eller -bånd som er valset eller på annen måte tildannet til den ønskete buete form som er vist i fig. 2 med kurven 34a, for å fungere som det bærende element for den buete delen 2 8 og som forsterkningsorgan for å mot-stå strekkpåkjenningene i bladet fra rotorens 10 rotasjon. Den stive skumkjernen 44 kan være formet av polyuretan-lettskum eller lignende skumlegemer, som er beskrevet nedenfor. Hensiktsmessige festeorganer, f.eks. gangjern eller tapper (ikke vist) , kan på dette tidspunkt festes ved elementets 42 ender for å forbinde vingens buete del 28 med de rette segmenter 30 og 32. Den stive kjernen 44 kan formes i den ønskete vingeprofilform og på hensiktsmessig måte festes til forsterkningselementet 42, f.eks. ved forming av kjernen 44 ved bearbeidelse av to adskilte stive skumhalv.de ler av egnete skumplater til de ønskete, innbyrdes kompletterende former eller seksjoner 44a og 44b, og deretter festes seksjonene på hver sin side av det buete forsterkningselementet 42. Kjernens 44 ytre flate kan deretter belegges på hensiktsmessig måte, f.eks. med en hud 46 av glassfiberarmert plast, enten i form av en matte, en duk eller i sprøytet form, for å gi en jevn og erosjonsbestandig flate rundt kjernen' 44, som beskytter kjernen mot støt fra vindbårne gjen-stander eller fra regn, hagl o.l.. Huden 46 kan glattes og poleres og bestrykes ytterligere for å reduse.re friksjons- og andre aerodynamiske tap og for å gi vingeprofilen dens endelige form og av-balansering. A symmetrical airfoil shape with a large glide ratio can be the airfoil according to NACA 0012 (National Advisory Committee for Aero-nautics). Such or a similar wing profile can, as shown in fig. 4 is produced with a reinforcement element 42 of great strength, which is surrounded by a rigid foam core 44. The reinforcement element 42 can consist of a steel, aluminum or fiber laminate sheet or strip that is rolled or otherwise formed into the desired curved form shown in fig. 2 with the curve 34a, to function as the supporting element for the curved part 28 and as a reinforcement to withstand the tensile stresses in the blade from the rotation of the rotor 10. The rigid foam core 44 can be formed from polyurethane foam or similar foam bodies, which are described below. Appropriate fastening means, e.g. crampons or pins (not shown), can at this point be attached to the ends of the element 42 to connect the curved part 28 of the wing with the straight segments 30 and 32. The rigid core 44 can be formed in the desired wing profile shape and attached in an appropriate way to the reinforcement element 42 , e.g. when forming the core 44 by processing two separate rigid foam halves, they are made of suitable foam sheets into the desired, mutually complementary shapes or sections 44a and 44b, and then the sections are attached to each side of the curved reinforcement element 42. The outer surface of the core 44 can then coated in an appropriate manner, e.g. with a skin 46 of glass fiber reinforced plastic, either in the form of a mat, a cloth or in sprayed form, to provide a smooth and erosion-resistant surface around the core' 44, which protects the core against impact from wind-borne objects or from rain, hail etc. The skin 46 can be further smoothed and polished and coated to reduce frictional and other aerodynamic losses and to give the airfoil its final shape and balance.

De rette segmentene 30 og 32 av vingene 26a, 26b og 26c kan gis hvilken hensiktsmessig form som helst som gir minst vindmotstand og som har tilstrekkelig strekkstyrke for å bære den buete delen 28 under maksimale påkjenninger og de festes på hensiktsmessig måte til festeorgan på den buete delen 28. De rette segmentene kan f.eks. gis en aerodynamisk utforming for å bidra med en drivkraft eller for å redusere rotorens 10 luftmotstand, ved bøyning av en plate til vingeprofilform og sveising av platens bakkanter, som vist.i fig. 6a med tverrsnittet 50a gjennom det rette segmentet. Siden de rette segmentene på grunn av sin stilling i forhold til rotorene 14 og 16 og i forhold til akselen 12 kan bidra med meget liten drivkraft, kan imidlertid økonomien diktere bruken av en enkel sirkel-formet hul eller massiv stang eller annen form som vist med tverrsnittet. 50b i fig. 6b. De rette segmentene er vanligvis fremstilt av stivt materiale for å bære -vingene når turbinen er i ro og de kan omfatte hensiktsmessig støtte (ikke vist) fra akselen 12 for å gi ytterligere støtte. Det kan også finnes tilfeller hvor det er ønskelig å tildanne segmentene 30 og 32 av et fleksibelt materiale, f.eks. en stålkabel, som ved turbinens rotasjon kan anta troposkien-formen. I disse arrangement kan visse andre støtteorgan for vinge-prof ilde lene anordnes etter behov for turbinen når den er i ro. The straight segments 30 and 32 of the wings 26a, 26b and 26c may be given any suitable shape which provides the least wind resistance and which has sufficient tensile strength to support the curved portion 28 under maximum stresses and they are attached in a suitable manner to fastening means on the curved section 28. The straight segments can e.g. an aerodynamic design is given to contribute with a driving force or to reduce the air resistance of the rotor 10, by bending a plate into a wing profile shape and welding the rear edges of the plate, as shown in fig. 6a with the cross section 50a through the straight segment. However, since the straight segments, due to their position relative to the rotors 14 and 16 and relative to the shaft 12, can contribute very little driving force, economics may dictate the use of a simple circle-shaped hollow or solid rod or other shape as shown by the cross section. 50b in fig. 6b. The straight segments are usually made of rigid material to support the vanes when the turbine is at rest and they may include suitable support (not shown) from the shaft 12 to provide additional support. There may also be cases where it is desirable to form the segments 30 and 32 of a flexible material, e.g. a steel cable, which can assume the troposkien shape when the turbine rotates. In these arrangements, certain other support means for blade profiles can be arranged as required for the turbine when it is at rest.

Som vist med kurven; 40 i fig. 5 må rotoren 10 drives opp til en hastighet hvor forholdet, mellom vingespisshastigheten og vindhastigheten er ca 3 før rotorvingene begynner å utøve en betydelig drivkraft som er tilstrekkelig for å overvinne luftmotstand, treghets-krefter og andre tap for å akselerere turbinen til maksimaleffekt-nivå. For at denne hastighet skal nås er startrotorene 14 og 16 As shown with the curve; 40 in fig. 5, the rotor 10 must be driven up to a speed where the ratio between the blade tip speed and the wind speed is about 3 before the rotor blades begin to exert a significant driving force which is sufficient to overcome air resistance, inertial forces and other losses to accelerate the turbine to maximum power level. For this speed to be reached, the starting rotors are 14 and 16

på hensiktsmessig måte festet til de øverste og nederste deler av rotoren 10, idet de står i forbindelse med den felles aksel 12 og er ute av dekning med drivrotorens 10 buete deler 28. En særlig ef-fektiv startrotor er vist i fig. 7 hvor et par bueformete eller halv-sirkelformete rektangulære skovler 52 og 54 bæres på akselen 12. med de hule delene vendt_i motsatt retninger og med en del av hver skovl i overlappning med akselen 12 og med den andre skovlen i en generelt S-formet fasong. Med skovlene plassert på denne måten vil vinden som blåser mot den hule delen eller kammeret på innsiden av en av skovlene, f.eks. delen 56 av skovlen 52, utøve en drivkraft på skovlen 52 i pilens 58 retning og ledes gjennom kanalen 60 mellom skovlen 52 suitably attached to the upper and lower parts of the rotor 10, as they are in connection with the common shaft 12 and are out of coverage with the curved parts 28 of the drive rotor 10. A particularly effective starting rotor is shown in fig. 7 where a pair of arcuate or semi-circular rectangular vanes 52 and 54 are carried on the shaft 12 with the hollow parts facing in opposite directions and with a part of each vane overlapping the shaft 12 and with the other vane in a generally S-shaped shape . With the vanes positioned in this way, the wind blowing against the hollow part or chamber inside one of the vanes, e.g. part 56 of the vane 52, exert a driving force on the vane 52 in the direction of the arrow 58 and is guided through the channel 60 between the vane 52

og akselen 12 mot den hule delen av skovlen 54 for at denne i sin tur skal påvirkes av en drivkraft i pilens 58 retning. Virkningsgraden som funksjon av forholdet mellom rotorens periferihastighet og vindhastighet er vist med kurven 62 i fig. 5, av hvilken det fremjgår at toppytelsen til rotoren ifølge fig.; 7 ligger omtrent ved forholdet 1. Forholdet mellom rotorens 10 og rotorenes 14 og 16 dia-metre bør således ligge mellom ca 5:1 og 6:1, slik at både start- og drivrotorene arbeider med sin største virkningsgrad ved omtrent samme rotasjonshastigheter. Det har også vist seg at startrotorene 14 og 16 kan gis en høyde som er omtrent like stor som deres, diameter for å redusere blokkeringen av rotorens 10 effektiveste del, dvs. den buete delen 28 som er vist i fig. 1, eller at de kan strekke seg fra den buete delen 28 forbi drivrotorxxxkHXHgKH-vingenes ender. Start-rotorenes skovler 5 2 og 54 kan tilvirkes i den viste formen eller med variabel tykkelse i en flyvingeprofil for å gi økende virkningsgrad. Av økonomiske grunner, og siden ytterligere aerodynamisk ytelse ikke kan være betydelig større enn hva som motiveres av de ekstra and the shaft 12 against the hollow part of the vane 54 so that this in turn is affected by a driving force in the direction of the arrow 58. The efficiency as a function of the ratio between the rotor's peripheral speed and wind speed is shown by curve 62 in fig. 5, from which it appears that the peak performance of the rotor according to fig.; 7 is approximately at the ratio 1. The ratio between the diameters of the rotor 10 and the rotors 14 and 16 should thus be between approximately 5:1 and 6:1, so that both the starting and drive rotors work with their greatest efficiency at approximately the same rotational speeds. It has also been found that the starter rotors 14 and 16 can be given a height approximately equal to their diameter in order to reduce the blocking of the most effective part of the rotor 10, i.e. the curved part 28 shown in FIG. 1, or that they may extend from the curved portion 28 past the ends of the drive rotorxxxkHXHgKH wings. The start rotor blades 5 2 and 54 can be manufactured in the shape shown or with variable thickness in an airfoil profile to provide increasing efficiency. For economic reasons, and since additional aerodynamic performance cannot be significantly greater than what is motivated by the extra

ttlvirknignskostnader, fremstilles skovlene 52 og 54 fortrinnsvis av metallplater slik at skovlkammeret eller den hule delen danner et segment av en bue med konstant radius. Den øvre -startrotorens 14 skovler bør være plassert slik, som vist i fig. 1, at de befinner seg ute av fase med skovlene til den nedre startrotoren 16, dvs. dreid eller vinkelrett i forhold til hverandre, slik at vindturbinen er selvstartende i en vind som blåser fra vilkårlig retning og for å jevne ut det startmoment som produseres av startrotorene. Andre typer startrotorer, f.eks. visse rotorer som ligner de rotorer av skålkorstypen som benyttes i vindmålere, kan benyttes, men med lav-ere total virkningsgrad og drivkraft, f.eks. den i fig. 8 viste typen med tre skåler 62a, 62b og 62c som er festet til akselen 12.. ttloperation costs, the vanes 52 and 54 are preferably made of sheet metal so that the vane chamber or hollow part forms a segment of an arc of constant radius. The 14 vanes of the upper starter rotor should be positioned as shown in fig. 1, that they are out of phase with the vanes of the lower starting rotor 16, i.e. rotated or perpendicular to each other, so that the wind turbine is self-starting in a wind blowing from any direction and to equalize the starting torque produced by the starter rotors. Other types of starter rotors, e.g. certain rotors similar to the cross-bow type rotors used in anemometers can be used, but with a lower total efficiency and driving force, e.g. the one in fig. 8 showed the type with three bowls 62a, 62b and 62c attached to the shaft 12.

Rotorene 10, 14 og 16 som er festet på den felles aksel 12, kan i en vind rotere til en hastighet av 3-4 ganger vindhastigheten ved rett proporsjonering av størrelsen og radien til startrotorene og drivrotoren, som beskrevet ovenfor. Startrotorene vil starte.av seg selv uten ytre kraft (annet enn vinden) og vil automatisk.regulere vingeprofilens korrekte .starthastighet som funksjon ;av en vilkårlig vindhastighet innenfor turbinens arbeidsområde og begrensninger. Startrotoren kan fortsette å produsere drivkraft også ved drivrotorens arbeidshastighet uten at drivrotorens arbeid påvirkes uhel-dig. Med den vingekonstruksjon som er beskrevet ovenfor blir vingen praktisk talt bare utsatt for strekkpåkj enninger s,om lett opptas av systemet. Utnyttelses anordningen 24 kan deretter drives, for å produsere kraft, energi eller arbeide som ønskes fra vindturbinens rotasjon, i et enkelt og billig system med høy effektivitet. The rotors 10, 14 and 16, which are attached to the common shaft 12, can rotate in a wind at a speed of 3-4 times the wind speed by correctly proportioning the size and radius of the starter rotors and the drive rotor, as described above. The starter rotors will start.by themselves without external force (other than the wind) and will automatically.regulate the airfoil's correct .starting speed as a function ;of an arbitrary wind speed within the turbine's operating range and limitations. The starter rotor can continue to produce driving force even at the drive rotor's working speed without the drive rotor's work being adversely affected. With the wing construction described above, the wing is practically only exposed to tension stresses that are easily absorbed by the system. The utilization device 24 can then be operated to produce power, energy or work as desired from the rotation of the wind turbine, in a simple and inexpensive system with high efficiency.

Dersom det er ønskelig å øke det drivende dreiemoment på bekostning av noe høyere strekkpåkjenninger, kan vingene av rotoren 10 modifiseres ved at egnete vekter plasseres ved foreningspunktene mellom vingens rette segmenter og buete del, som vist med vektene 64 og 66 i fig. 9. Disse masser forsøker å rette ut og forandre buen på vingenes buete del fra den tidligere beskrevne troposkien-form til en ny buéform eller buet del 28a, som øker den vindpåkjente flaten av fotorbladene 10. Rotorbladenes vingeprofilde.ler er med andre ord mer vertikale og gir derved en større gjennomsnittsradius fra rotorakselen til rotorbladets drivende del og en større påslagsflate for vingen. Siden vingens buete del fremdeles har form av en bue, vil påkjenningene i den buete delen fremdeles være strekkpåkjenninger, men det kan kreves en kraftigere forbindelse eller kobling mellom vingens buete del 28 og de rette segmentene. If it is desired to increase the driving torque at the expense of somewhat higher tensile stresses, the wings of the rotor 10 can be modified by placing suitable weights at the union points between the wing's straight segments and curved part, as shown with the weights 64 and 66 in fig. 9. These masses attempt to straighten and change the arc of the curved part of the wings from the previously described troposkien shape to a new arc shape or curved part 28a, which increases the wind-exposed surface of the rotor blades 10. In other words, the wing profile parts of the rotor blades are more vertical and thereby gives a larger average radius from the rotor shaft to the driving part of the rotor blade and a larger impact surface for the wing. Since the curved portion of the wing is still in the shape of an arch, the stresses in the curved portion will still be tensile stresses, but a stronger connection or coupling may be required between the curved portion 28 of the wing and the straight segments.

Rotorens 10 vinger kan modifiseres ytterligere ved montering av spissplater med større dimensjon enn vingens tverrsnitt ved over-gangen mellom den buete delen 28 og de rette segmenter 30 og 32. Ved store innfallsvinkler er disse spissplater meget effektive når det gjelder å øke. vingeprofilens effektive forhold mellom vingeprofilens lengde og kordelengden ved at den hindrer den luften som står .under høyere trykk innenfor vingeprofilen i å strømme rundt vingeprofilens ende til lavtrykksiden. Spissplatene kan monteres vinkelrett på vingen eom vist i fig. 10a med spissplåten 68a, eller vinkelrett mot den vertikale aksen eller turbinakselen 12, som vist med spissplåten 68b i fig. 10b. I det siste tilfelle vil spissplåten 68b redusere forstyrrelsen med luftstrømmen over selve vingen og skulle ikke behøve å rotere mot luftstrømmen ved rotorens 10 rotasjonshastighet • The rotor's 10 wings can be further modified by mounting tip plates with a larger dimension than the wing's cross-section at the transition between the curved part 28 and the straight segments 30 and 32. At large angles of incidence, these tip plates are very effective when it comes to increasing. the airfoil's effective ratio between the length of the airfoil and the chord length in that it prevents the air that is under higher pressure within the airfoil from flowing around the end of the airfoil to the low pressure side. The tip plates can be mounted perpendicular to the wing as shown in fig. 10a with the tip plate 68a, or perpendicular to the vertical axis or turbine shaft 12, as shown with the tip plate 68b in fig. 10b. In the latter case, the tip plate 68b will reduce the interference with the airflow over the blade itself and should not need to rotate against the airflow at the rotor's 10 rotational speed •

Siden tilvirkningsomkostningene for en vindturbin av den type som er beskrevet ovenfor kan øke vesentlig med økende størrelse på vindturbinen og siden vindhastighetene ofte øker med avstanden over-marknivå, kan det være ønskelig å stable vindturbiner den ene over den andre på en felles aksel 72, som vist i fig. 11 med turbinene 70a og 70b. På grunn av den med høyden økende vindhastighet, kan det også være ønskelig å gi den øvre vindturbinen 70b en mindre diameter enn de nedre turbinene for å gi en effektivere utnyttelse av vindenergien. Turbinene 70a og 70b (og ytterligere stablede turbiner) samt deres felles aksel' 72 kan på hensiktsmessig måte bæres på marken og forsynes med hensiktsmessige stag- og ringarr.angement 74a og 74b mellom turbinene og over den øverste turbinen. Turbinene kan på denne måte plasseres slik at de tar opp en begrenset markflate uten noen vindforstyrrelse mellom turbinene. Disse turbiner kan selvsagt forsynes med en eller flere liknende startrotorer som beskrevet ovenfor. Since the manufacturing costs for a wind turbine of the type described above can increase significantly with increasing size of the wind turbine and since wind speeds often increase with the distance above ground level, it may be desirable to stack wind turbines one above the other on a common shaft 72, which shown in fig. 11 with the turbines 70a and 70b. Due to the wind speed increasing with height, it may also be desirable to give the upper wind turbine 70b a smaller diameter than the lower turbines in order to provide a more efficient utilization of the wind energy. The turbines 70a and 70b (and further stacked turbines) as well as their common shaft' 72 can be conveniently carried on the ground and provided with suitable strut and ring arrangements 74a and 74b between the turbines and above the uppermost turbine. In this way, the turbines can be placed so that they take up a limited area of land without any wind disturbance between the turbines. These turbines can of course be supplied with one or more similar starting rotors as described above.

For å beskytte vindturbiner ifølge oppfinnelsen mot altfor kraftige vinder kan de forsynes med demonterbare eller vikbare ledd eller fes.teorgan ved forbindelsen mellom de buete delene og de rette segmentene av vingene og mellom vingene og akselen 12, slik at vingene kan bøyes eller felles sammen til en mye. mindre diameter som gir betydelig mindre vindmotstand og som kan overdekkes dersom det ønskes. Dersom rotorens vinger, som er vist eksempelvis i fig. 2, forsynes med gangjerns lignende skjøter mellom hvert enkelt av de øvre rette vingesegment 30' og 30" og de buete delene 28V og 28" og mellom de nedre æette segmentene 32* og 32" og den vertikale akselen 12', og dersom de nedre rette segmentene er. demonterbare fra den buete delen, kan de nedre rette segmentene demonteres fra vingens buete del og svinges inn mot akselen, mens det øvre rette segmentet og den buete delen svinges inn mot akselen og festes eller bindes til denne på hensiktsmessig måte. Turbinens vindprofil kan på denne måten reduseres vesentlig. In order to protect wind turbines according to the invention against excessively strong winds, they can be provided with dismountable or foldable links or fasteners at the connection between the curved parts and the straight segments of the blades and between the blades and the shaft 12, so that the blades can be bent or folded together to a lot. smaller diameter which gives significantly less wind resistance and which can be covered if desired. If the rotor's wings, which are shown for example in fig. 2, are provided with handrail-like joints between each of the upper straight wing segments 30' and 30" and the curved parts 28V and 28" and between the lower straight segments 32* and 32" and the vertical shaft 12', and if the lower the straight segments are detachable from the curved part, the lower straight segments can be disassembled from the curved part of the blade and swung in towards the shaft, while the upper straight segment and the curved part are swung in towards the shaft and attached or tied to it in a suitable way. wind profile can be significantly reduced in this way.

Claims

1. Wind turbine with rotatable shaft, one drive rotor with an elongated blade having a central curved part with an aerodynamic airfoil in the transverse direction of the bend, means for carrying the blade on the shaft with the airfoil directed along the path of movement of the blade, to exert a driving force on the shaft when. the curved blade part achieves, a ratio between its linear speed and the wind speed, which is. larger than approx. 3, as well as a device connected to the shaft for utilizing the shaft's rotation.

2. Turbine in accordance with claim 1, characterized in that the drive rotor comprises a number of blades, each of which has a tral, outwardly curved. part with airfoil profile.

3. Turbine in accordance with claim 2, characterized in that the outwardly curved parts of the blades are arc-shaped in such a way that they approximate a part of a troposkine curve. .4.. Turbine in accordance with claim 1, characterized in that the organs which carry the blades mainly comprise straight blade segments which are connected to and carry between them the curved part with a wing profile shape.